Генераторы импульсов напряжения для эектрообработки нефтяных эмульсий с.Г. Конесев, р.Т. Хазиева, р.В. Кириллов
(Уфимский Государственный Нефтяной Технический Университет, г. Уфа)
В природе нефть встречается в виде эмульсий, представляющих собой смесь нефти и воды – двух взаимонерастворимых жидкостей. Теоретически такая система склоннак минимальной площади раздела фаз (т.е. к расслоению), однако на практике этого не происходит. Наличие воды в нефти приводит к интенсивному вспениванию эмульсии и, как следствие, нарушению технологического процесса [1]. Для предотвращения возможных последствий, нефтяную эмульсию необходимо обезвоживать. Одним из используемых методов обезвоживания нефтяных эмульсий (наряду с химическим, вибрационным, термическим, физическим и др.) является электрообработка. Электрическое воздействие на нефтяную эмульсию заключается в пропускании ее через переменное электрическое поле высокого напряжения (15...44 кВ), в котором диспергированные капли воды поляризуются, деформируются, защитная оболочка разрушается и происходит коалесценция (слияние) капель воды, их укрупнение и осаждение. Помимо воды в нефти содержатся и соли металлов, поэтому для обессоливания эмульсий осуществляют промывку солей путем подачи оптимального количества пресной воды. В дальнейшем эмульсию обезвоживают, и соли металлов осаждаются вместе с водой [2].
Длительность импульса напряжения должна быть не более половины периода колебаний поля.Длительность переднего фронта импульса формируют в пределах от 2*10-5 до 5*10-4 с. Амплитуда импульса должна составлять 0,5…1 кВ/см. Верхняяграница длительности определяется постоянной временинейтрализации поляризационного заряда сближающихся капель.Нижняяграницаобъясняется тем, что при меньшей длительности не повышается эффективность слияния капель, однакоувеличивается стоимость необходимой аппаратуры. Длительность импульса должна быть зависимой от электропроводимости эмульсии, при этом действующее значение напряженности при изменении нагрузки устанавливают постоянным в пределах 0,2..0,4 кВ/см при токе нагрузки меньше или равном допускаемому значению, равному 0,5-0,9 от предельно допустимого тока для выбранного источника. В случаях, когда для поддержания действующей напряженности в пределах 0,2…0,4 кВ/см требуется ток нагрузки, превышающий допустимое значение, после двух полупериодов с напряженностью электрического поля в виде импульса формировать участок с напряженностью электрического поля, равной нулю, и с длительностью, равной целому числу полупериодов [3].
Импульсы напряжений амплитудой до 10 МВ получают от генераторов импульсных напряжений (ГИН). Существуют различные схемотехнические решения ГИН. Наиболее распространенной является схема Аркадьева – Маркса (рисунок 1), в которой длительность фронта и спада импульса регулируется демпфирующими R3 и разрядным Rн сопротивлениями, ёмкостью С0 и ёмкостью нагрузки Ск[4].
Рисунок 1 – Схема Аркадьева–Маркса
Частота импульсов, вырабатываемых генератором, зависит от мощности генератора в импульсе, энергия широко варьируется.
Промышленное применение генераторы Аркадьева-Марксанашли в электрогидравлической обработке материалов, дроблении, бурении, уплотнении грунтов и бетонных смесей.
Одним из оригинальных типов источника высокого напряжения является Генератор Фитча-Говела, разработанный в 1964 году. Конструктивно он состоит из двух основных узлов – спирально свернутой линии передачи (полосковой) с дополнительным слоем изоляции между витками и RC-цепочки с двойным разрядником (рисунок 2) [5].
Рисунок 2 – Генератор Фитча-Говела
Эта схема имеет ряд преимуществ по сравнению с генераторомАркадьева-Маркса: вдвое уменьшается количество разрядников, но увеличивается точность их включения; сопротивление разрядников, их индуктивность не влияют на выходной импеданс схемы, если LC-генератор включить на нагрузку через дополнительный быстродействующий коммутатор [6].
Наносекундные импульсы можно получить с помощью различных устройств. Например, с помощью отрезков коаксиального кабеля, соединённых по схеме на рисунке 3; отрезка трёхполосной полосковой линии (схема Блюмлейна, рисунок 4), полосковой линии, свёрнутой в спираль (спиральный генератор, рисунок 5). В последних двух генераторах происходит удвоение (рисунок 4) или умножение (рисунок 5) напряжения после пробоя искрового промежутка П и отражения волны напряжения от конца линии.
Если к форме импульса напряжения не предъявляются специальные требования, то для получения импульсов с амплитудой ~ 104—105 В применяют импульсные трансформаторы (катушки Румкорфа, трансформатор Тесла) [7].
Рисунок 3 – Кабельный генератор
Рисунок 4 – Генератор Блюмлейна
Рисунок 5 – Спиральный генератор
Высоковольтные генераторы мощных импульсов включают в себя, как правило, накопитель энергии, систему умножения (трансформации) напряжения, систему коммутации и управления. В качестве накопителя энергии в них чаще всего используются емкостные и индуктивные накопители.
Увеличение напряжения может достигаться разными способами: например, переключением элементов накопителя с параллельного на последовательное, использованием импульсного трансформатора, резким обрывом зарядного тока индуктивного накопителя.
В качестве коммутаторов используются искровые разрядники, газоразрядные лампы, тиратроны и полупроводниковые коммутаторы. Обрыв тока осуществляется размыкателями тока, такими как плазменные размыкатели, размыкатели на основе электрического взрыва проводников, вакуумные и другие[7].
Недостатками известных ГИН являются низкая степень интеграции элементов и недостаточная функциональность устройств.
С целью устранения перечисленных недостатков предложен ГИН на основе единого конструкторско-технологического компонента (ЕКТК) [8].
Рисунок 6 – ГИН на основе ЕКТК
На рисунке 6 представлен предлагаемый ГИН, содержащий источник питания 1, ЕКТК 2, коммутаторы 12,13,14, системы управления коммутаторами 15. ЕКТК 2 состоит из нескольких магнитосвязанных секций(на рисунке показаны три секции 3, 4, 5), каждая из которых содержит первую (7, 9, 11)и вторую (6, 8, 10) проводящие обкладки, свернутые в спираль и разделенные диэлектриком (на рисунке не указан).
Особенностью устройства является то, что первые обкладки каждой секции соединены последовательно, а вторые обкладки каждой секции соединены параллельно. Причем коммутаторы включены между концом первой проводящей обкладки и началом второй проводящей обкладки каждой секции единого конструкторско-технологического компонента. Первый вывод источника питания подключен к началу первой проводящей обкладки первой секции, а второй вывод источника питания подключен к выводам вторых проводящих обкладок каждой секции. Нагрузка подключена к началу первой проводящей обкладки первой секции и к концу первой проводящей обкладки последней секции ЕКТК. Работа коммутаторов определяется алгоритмом работы системы управления, задающим амплитуду и частоту импульсов напряжения на нагрузке.
При одновременном включении коммутаторов предлагаемого ГИН увеличивается мощность импульсов напряжения, при чередующемся – увеличивается частота импульсов напряжения. Мощность каждого импульса определяется величиной напряжения заряда емкостей секций ЕКТК и емкостью каждой секции. Возможны и иные режимы работы коммутаторов, позволяющие значительно расширить функциональные возможности устройства.
Повышение надежности работы ГИН обеспечивается выполнением устройства с использованием единого компонента.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Белоусов В.Д. Трубопроводный транспорт нефти и газа.– М: Недра, 1988.– 367 с.
Ахметов С. А. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа.– СПб: Недра, 2006.– 868 с.
Пат. 2167692 РФ, Способ обезвоживания водонефтяной эмульсии / Геленкин В.С., Лапига Е.Я., Мирзабекян Г.З., Пушнин Ю.В., Семенов А.В., Тениешвили З.Т. // 2001.
Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника.– М.: Наука, 2004.– С. 275-276.
Fitch R.A., Howell V.T.S. Novel principle of transient high voltage generation // Proc. IEEE. Electronics Power Science and General.– 1964.– V. 3.– № 4.– P. 849.
Пичугина М.Т. Мощная импульсная энергетика.– Томск: Изд-во ТПУ, 2005.– 98 с.
Пат. 2102834 РФ, Генератор импульсов высокого напряжения прямоугольной формы / Зеленов В.Е., Мирошниченко В.П., Перунов А.А. // 1998.
Положительное решение о выдаче патента на изобретение «Генератор импульсов напряжений» по заявке №2012107734 от 29.02.2012 / С.Г. Конесев, Р.Т. Хазиева, Р.В. Кириллов, А.В. Мухаметшин, М.Р. Садиков.
УДК 620.9