由专利分析电脱盐罐电极板与智能电源的技术现状

程 刚，郑盟主，李 泓

(1．长江(扬中)电脱盐设备有限公司，江苏扬中212200;2．辽宁石油化工大学，辽宁抚顺113001)

原油电脱盐罐成套设备主要由罐体、内部组件(电极板、进油分布器、反冲洗管线和绝缘吊挂等)、电源、静态混合器和外部管线及泵等组成。其工艺为原油、水和破乳剂等经静态混合器混合后通过进油分布器进行高压电场处理，达到原油脱盐脱水的目的。

1 中国和美国的电极板专利现状

电极板形状多样，有格栅、板状、棒状、盘状、环形、弧形、圆筒状和锥状等，材料分金属和非金属，放置方式有水平式和垂挂式两种。根据电极板形状、材料和放置方式的不同，可在罐体内部形成均匀和非均匀电场区域，以适应不同油水乳液高压静电分离的需要。

1.1 均匀电场区域

(1)水平金属电极板

这方面的美国专利主要集中在Petrolite公司，它介绍了不同层数的水平金属电极板在同一罐体中实现不同深度处理的均匀电场区域。专利［1］公开了一种两层水平的同心圆环电极板形成的单极均匀电场区域。为提高单位时间内的原油处理量，专利［2］公开了一种采用三层平行且等距离的水平格栅金属电极板形成的单极均匀电场区域，基本工艺为原油经分布器后同时进入下部和中部电极板、中部和上部电极板之间处理。专利［3］公开了一种由四层水平格栅电极板形成的两级均匀电场区域，其基本工艺为原油乳液通过进油分配器先同时进入下部和中下部以及中下部和中上部呈水平且等距离放置的平行电极板之间的均匀电场区域进行一级处理，然后在向上油流的推动下进入中上部和上部电极板之间的均匀电场区域进行二级处理，结构如图1所示。

专利［4］公开了一种水平放置的棒状与盘状电极板形成的四级均匀电场区域，且4个棒状电极分别平行且等距离放置在每个水平盘状电极板内。工艺过程为原油从进油管先进入最下层盘状电极板，在盘状电极板内呈Z型水平流动进行一级处理，然后进入上一层盘状电极板内进行二级处理。以此类推，以同样的方式进行三、四级均匀电场的处理。

(2)垂挂式电极板

专利［5］和［6］公开了一种原油从左向右流动、垂直平行且等距离放置的平板状电极板形成的单级均匀电场区域的电脱盐罐。专利［7］公开了一种原油从右向左流动、与罐体内壁平行且等距离垂直放置的弧形金属电极板形成的单级均匀电场区域的电脱盐罐。专利［8－10］公开了一种原油自下而上流动通过平板式、网状、栅型的垂挂式电极板形成的单级均匀电场区域。

图1 四层水平格栅电极板的罐内结构Fig．1 Internal constructure of vessel with four-layers level grid eletric paltes

为实现降低垂挂式平行电极板形成的电场区域在运行过程中的电流以保持极板间高压的目的，专利［11］使用纤维增强型导电非金属极板代替传统金属极板，专利［12］采用在正负极板上分别增加与变压器次级线圈相连二极管导通方向相反的两个接地二极管的方式，专利［13］采用半导体或带半导体涂层的电极板代替常规金属极板。

在古希腊神话中，大力神赫拉克勒斯的狗有一次因为吃了蜗牛，导致嘴巴变成了紫色。这就是神话传说中紫色被发现的过程。

(3)水平垂挂复合放置金属电极板

专利［14－17］公开了一种水平和垂直复合放置的电极板相组合、两级均匀电场处理油水乳液的电脱盐罐。工艺过程为原油从罐体底部进入自下而上流动，先进入垂挂式电极板(棒状或平板状)或两层水平格栅极板形成的均匀电场区域进行一级处理，然后进入两层水平格栅或垂挂式电极板(棒状或平板状)形成的均匀电场区域进行二级处理。

1.2 非均匀电场区域

非均匀电场区域的形成可以通过改变电极板的材料、形状和间距来实现，从而在油水乳化液的流经区域形成非均匀电场。

专利［18］公开了一种以一定角度(小于90°)敞开立式放置平板电极板的方法，且电极板以辐射状焊接于进油分布器上。具体工艺为:原油先通过立式圆柱状罐体的内部圆管从上而下流动到底部，然后从下而上地通过进油分布器进入两水平格栅电极板形成的一级电场区域中，接着在以一定仰角放置的导流板作用下进入上部圆柱状分布器。同时，从分布器流出的一级处理后原油进入辐射式板状电极板形成的二级电场区域内进行处理，从而在该区域实现了先强电场振荡聚结后弱电场沉降的油水分离过程。专利［19］公开了一种内壁为波纹形的圆形或矩形状环形电极板形成的非均匀电场区域。原油在该环形区域内流动时，原油乳液的流动状态为湍流，不仅增大了分散相水滴颗粒的碰撞几率，还能显著缩短水力停留时间。专利［20］也公开了一种通过改变极板间距来形成梯度场强的方法。电极板采用三层偏心设计、间距从下到上逐渐减小的弓形结构(或鼠笼式)其结构见图2，在罐体的垂直方向上与水平格栅极板焊接于一体水平放置，由于弓形电极板间距的不同使得水平流动的油水乳液在从下往上的方向上形成的梯度非均匀电场区域内进行处理。

图2 偏心结构的鼠笼式电极板Fig．2 Squirrel-cage electric plates with eccentric structure

专利［21］公开了一种采用不同导电特性材料复合而成且两两正负相间垂挂式放置的平板状电极板形成的非均匀电场区域，原油乳液在流经该区域时分别进行相应的弱电场、强电场和弱电场处理。专利［22］公开了一种由不同形状复合的变极距垂挂式金属电极板在原油乳液从下而上的流动方向形成呈弱电场、中电场和强电场的梯度电场区域，其弱电场由较小直径的圆板与水界面平行放置形成，中电场由圆棒状电极两两交错平行垂挂放置形成，强电场由平板状电极板两两平行放置形成，结构如图3所示。专利［23］公开了一种通过改变电极板形状和材料且水平垂挂复合放置的组合电极板形成的两级非均匀电场区域，其中水平极板为蛛网状金属结构，由中央到四周其间距由稀到密，垂挂电极板中央部分为金属材料，周边区域为非金属绝缘材料。

图3 变极距的板状/棒状复合垂挂式电极板Fig．3 Vertical compound electric plates with different distances combined with tabulars and rods

2 中国和美国的智能电源专利现状

智能电源是相对于传统交流或直流电源而言的，其功能是为电极板提供高电压，也是电脱盐罐的重要组成部分。传统交流或直流电源的变压器在输出端电流较大时会产生很大的电能损耗;难以准确地调节到工艺所要求的电压;工作频率仅为50 Hz，且为一固定值，无法根据需要调节振荡频率;对突发事故的反应差而不能得到及时处理;输出波形单一且无法调节，不能适应油水乳液分散、混合、聚结与沉降的动态处理过程。而智能电源则能克服上述缺点，根据其输出高压波形和频率的不同，可分为智能调压双极性型、变频脉冲型和双频型。

2.1 智能调压双极性电源

专利［24］公开了一种将电脱盐技术与电力电子和自控技术相结合起来的PLC程序控制的智能调压双极性电源，它借助外部电源、信号和控制电缆与现场高压电源相连来接收现场传感器信号，根据电脱盐工艺过程的实际工况通过智能控制器实现输出高压的调节与控制。该电源结构如图4所示。工作过程为:380 V外部三相交流电通过受控于电子触发控制回路5的电子调压器1输出端接升压变压器2的初级，升压变压器2的次级经正反向整流二极管3和4分别连接电极板，从而在电脱盐罐内形成高压电场。

图4 智能调压双极性电源的结构ig．4 Constructure of intelligent voltage-regulation biploar power supply

该电源的特点为:(1)能用于容量10～200 kVA的不同变压器;(2)系统启动时系统电压平缓增加;(3)可在(0.25～1.0)Umax内平缓调节输出电压，实现了输出二次高压的无级可调;(4)可在恒压与调压控制之间自由切换;(5)可在线设定动态调压曲线参数;(6)具有良好的电流特性，能够动态调节输出电压，将输出电流限制在指定的范围内;可以显示高压变压器的原付边的电压和电流;(7)具有故障检测、显示和声光报警功能;(8)系统过流报警后，输出高压先降为零，而后经延时再启动，且输出高压平缓增加。

2.2 变频脉冲电源

专利［25］公开了一种变频调压电源，主要由滤波器、调压模块、微电脑、控制器和变压器等组成，工作过程为380 V三相交流电先经滤波器将交流电整理成脉冲电路后，通过调压模块调节脉冲电压，然后连接到升压变压器，并通过开关电路的控制得到波形为单向脉冲方波的输出高压。专利［26］公开了一种采用一次逆变电路调节的输出变频高压脉冲的电源，主电路采用晶闸管移相整流先将三相输入交流电压调成直流，然后经IGBT桥式逆变电路变换形成频率可调节的矩形波交流脉冲电压并通过升压变压器的初级线圈输出高压到连接有正反向整流二极管的副线圈，从而得到整流后的高频高压脉冲，结构如图5所示。

图5 一次逆变电路调节的变频脉冲电源结构Fig．5 Constructure of converting frequency and pulse power supply adjusted by primary inversion circuit

专利［27－28］公开了一种采用二次逆变电路调节的输出变频高压的矩形波交流脉冲电源，主电路由三相滤波整流电路、一次桥式逆变直流调压电路和二次桥式逆变电路组成，其中桥式逆变直流调压电路由IGBT构成的半桥式或全桥式逆变电路、主变压器和整流二极管等组成，二次桥式桥式逆变电路主要由IGBT开关构成全桥逆变回路。工作过程为380 V三相交流电经整流滤波电路变成直流电压后，经一次桥式逆变直流调压电路将其调整为直流高压，然后经二次桥式逆变电路将直流高压变成频率、占空比均可实时调节的交流脉冲输出给升压变压器，从而产生电极板需要的变频高压脉冲电压。电源结构如图6所示。

上述专利中逆变电路PWM控制部分除专利［28］采用数字增量式PID算法调节外，其余专利均采用模拟芯片的方式，通过该控制部分进行与原油乳化液电导率参数相关的频率调节，从而得到适用于不同油水乳液的一定输出频率的脉冲高压。

图6 二次逆变电路调节的变频脉冲电源结构Fig．6 Constructure of converting frequency and pulse power supply adjusted by secondary inversion circuit

2.2.3 双频电源

专利［29］公开了一种双频交流正弦波电源，其特点为:变压器一次绕组线圈的输入电压波形为频率f1的交流正弦波，且其电压的最大峰值以频率f2变化，从而在升压变压器的二次线圈产生相应波形的输出高压。电源结构如图8所示。其中，f1和f2分别与原油乳化液的电导率和表面张力相关。一般情况下f1＞f2，其中f1的取值范围为60～2500 Hz，f2的取值范围在0.1～100 Hz。

该电源的工作原理为:380 V三相交流电先经整流滤波电路后得到连续可调达到某一最大值的直流电，然后经过调制器将其转化为频率f2可调电压的直流电，最后通过斩波器的桥式逆变电路将频率为f2可调电压的直流电转化为频率f1可调电压的交流电，且f1随着f2的变化而变化，这样在升压变压器的一次绕组侧就产生了电压幅值和频率f1都在变化的交流电，从而在二次绕组线圈侧得到相应的以频率f1变化的高压交流电，且其峰值以频率f2变化。经实验研究发现，频率f1与f2、最大电压和最小电压等参数将会直接影响到静电聚结过程的进行。

图7 双频智能电源的结构Fig．7 Constructure of dual frequencies power supply

3 总结及展望

与电脱盐罐高压电场形成相关的电极板和智能电源的专利表明，电极板根据形状、导电材料类型和放置方式的不同，在罐内水平或垂直方向上可形成单级或多级的均匀和非均匀电场区域;智能电源根据输出高压波形和频率的不同，可分为调压双极性型、变频脉冲型和双频型。

为适原油日趋劣质化的趋势，高压电场对原油乳液的破乳能力亟待提高。从理论上，双频型和其它两种智能电源讲相比对原油乳液具有更好的破乳能力，但尚未见其在国内的工业应用。因此，笔者也建议加快双频型智能电源的国内开发及应用。

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